Hvordan livet på Jorden påvirkede dets indre virke

Det er velkendt, at livet på Jorden og planetens geologi hænger sammen, men en ny undersøgelse giver friske beviser for, hvor dybt - bogstaveligt talt - den forbindelse går. Geovidenskabsmænd ved Caltech og UC Berkeley har identificeret en kemisk signatur i magmatiske bjergarter, der registrerer begyndelsen af ​​iltningen af ​​Jordens dybe oceaner - et signal, der formåede at overleve kappens ovn. Denne iltning er af stor interesse, som det indvarslede den moderne æra med høje atmosfæriske og oceaniske iltniveauer, og menes at have tilladt diversificeringen af ​​livet i havet.

Deres resultater, som blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Science den 11. april, støtte en førende teori om geokemien af ​​ø-buemagmaer og tilbyde et sjældent eksempel på biologiske processer på planetens overflade, der påvirker den indre Jord.

Ø-buer dannes, når en oceanisk tektonisk plade glider under en anden i en proces kaldet subduktion. Subduktionspladen går ned og frigiver vandrige væsker ind i den overliggende kappe, får det til at smelte og producere magmaer, der i sidste ende stiger op til jordens overflade. Denne proces bygger ø-buevulkaner som dem, der findes i dag på de japanske øer og andre steder i Stillehavets Ring of Fire. Til sidst, gennem pladetektonik, øbuer kolliderer med og er inkorporeret i kontinenter, bevare dem i klipperekorden over geologisk tid.

Den mest rigelige magmatiske, eller magmatisk, klipper er basalter - mørkfarvede og finkornede klipper, der almindeligvis findes i lavastrømme. De fleste basalter på jorden i dag dannes ikke ved ø-buer, men derimod ved midterhavsrygge dybt under vandet. En velkendt forskel mellem de to er, at ø-buebasalter er mere oxiderede end dem, der findes ved midterhavsrygge.

En førende, men omdiskuteret hypotese for denne forskel er, at oceanisk skorpe oxideres af ilt og sulfat i det dybe hav, før det subduceres i kappen, leverer oxideret materiale til kappekilden af ​​øbuer over subduktionszonen.

Men Jorden menes ikke altid at have haft en iltet atmosfære og dybt hav. Hellere, videnskabsmænd mener, fremkomsten af ​​ilt – og dermed planetens evne til at opretholde aerobt liv – skete i to trin. Den første begivenhed, som fandt sted mellem omkring 2,3 og 2,4 milliarder år siden, resulterede i mere end 100, 000 gange stigning i atmosfærisk O2 i atmosfæren, til omkring 1 procent af moderne niveauer.

Selvom det var dramatisk højere end det tidligere havde været, den atmosfæriske O2-koncentration på dette tidspunkt var stadig for lav til at ilte det dybe hav, som menes at være forblevet anoxisk indtil omkring 400 til 800 millioner år siden. Omkring den tid, atmosfæriske O2-koncentrationer menes at være steget til 10 til 50 procent af moderne niveauer. Det andet spring er blevet foreslået for at have tilladt ilt at cirkulere i det dybe hav.

"Hvis grunden til, at moderne ø-buer er ret oxiderede, skyldes tilstedeværelsen af ​​opløst ilt og sulfat i det dybe hav, så opstiller det en interessant potentiel forudsigelse, " siger Daniel Stolper (Caltech Ph.D. '14), en af ​​forfatterne til papiret og en assisterende professor i jord- og planetvidenskab ved UC Berkeley. "Vi ved nogenlunde, hvornår de dybe oceaner blev iltede og dermed hvis denne idé er rigtig, man kan se en ændring i, hvordan oxiderede gamle ø-bueklipper var før versus efter denne iltning."

For at søge efter signalet om denne iltningshændelse i ø-bue-magmatiske bjergarter, Stolper gik sammen med Caltech assisterende professor i geologi Claire Bucholz, der studerer moderne og gamle buemagmatiske bjergarter. Stolper og Bucholz gennemgik offentliggjorte optegnelser om gamle øbuer og kompilerede geokemiske målinger, der afslørede oxidationstilstanden af ​​buesten, der brød ud for titusinder til milliarder af år siden. Deres idé var enkel:hvis oxideret materiale fra overfladen subduceres og oxiderer de kappeområder, som stammer fra ø-bueklipper, så burde gamle ø-bueklipper være mindre oxiderede (og dermed mere "reducerede") end deres moderne modstykker.

"Det er ikke så almindeligt længere, men videnskabsmænd plejede rutinemæssigt at kvantificere oxidationstilstanden af ​​jern i deres stenprøver, " siger Bucholz. "Så der var et væld af data, der bare ventede på at blive gennemgået igen."

Deres analyse afslørede en tydelig signatur:en påviselig stigning i oxideret jern i bulk-rockprøver for mellem 800 og 400 millioner år siden, det samme tidsinterval, som uafhængige undersøgelser foreslog, at iltningen af ​​det dybe hav fandt sted. For at være grundig, forskerne undersøgte også andre mulige forklaringer på signalet. For eksempel, det antages almindeligvis, at oxidationstilstanden af ​​jern i bulksten kan kompromitteres af metamorfe processer - opvarmning og komprimering af sten - eller af processer, der ændrer dem ved eller nær jordens overflade. Bucholz og Stolper konstruerede en række tests for at afgøre, om sådanne processer havde påvirket posten. Der er næsten helt sikkert sket en ændring, Bucholz siger, men ændringerne er konsekvente overalt, hvor der blev taget prøver. "Mængden af ​​oxideret jern i prøverne kan være blevet forskudt efter afkøling og størkning, men det ser ud til at være blevet flyttet på en lignende måde på tværs af alle prøver, " hun siger.

Stolper og Bucholz kompilerede desuden en anden proxy, som også menes at afspejle oxidationstilstanden af ​​kappekilden til buemagmaer. betryggende, denne uafhængige registrering gav resultater svarende til jernoxidationstilstandsregistreringen. Baseret på dette, forskerne foreslår, at iltningen af ​​det dybe hav ikke kun påvirkede jordens overflade og oceaner, men også ændrede geokemien af ​​en større klasse af magmatiske bjergarter.

Dette arbejde supplerer tidligere forskning fra Bucholz, der undersøger ændringer i oxidationssignaturerne af mineraler i magmatiske bjergarter forbundet med den første iltningsbegivenhed for 2,3 milliarder år siden. Hun indsamlede sedimentær-type, eller S-type, granitter, som dannes under nedgravning og opvarmning af sedimenter under kollisionen af ​​to landmasser - f.eks. i Himalaya, hvor det indiske subkontinent kolliderer med Asien.

"Granitterne repræsenterer smeltede sedimenter, der blev aflejret på Jordens overflade. Jeg ville teste ideen om, at sedimenter stadig kan registrere den første stigning af ilt på Jorden, på trods af at de er blevet varmet op og smeltet for at skabe granit, " siger hun. "Og sandelig, det gør det."

Begge undersøgelser taler om den stærke forbindelse mellem Jordens geologi og det liv, der blomstrer på den, hun siger. "Udviklingen af ​​planeten og livet på den hænger sammen. Vi kan ikke forstå den ene uden at forstå den anden, siger Bucholz.

Det PNAS undersøgelsen har titlen "Neoproterozoikum til tidlig Phanerozoikum stigning i ø-bue-redoxtilstand på grund af iltning af dybt hav og øgede marine sulfatniveauer."